Neuer biegsamer Feststoffakku

Ein Forschungsteam des Instituts für Metallforschung an der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) erzielte einen bedeutenden Durchbruch in der Technologie der Festkörper-Lithiumbatterien. Man konnte eine flexible Batterie entwickeln, die bis zu 20.000 Biegungen standhält. Die Innovation der CAS bietet eine neuartige Lösung für langjährige Herausforderungen bei der Entwicklung von Festkörperbatterien, indem sie das Problem des hohen Grenzflächenwiderstands und der geringen Ionentransporteffizienz löst. Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in der internationalen Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Molekulares Design für Effizienz und Flexibilität

Festkörper-Lithiumbatterien gelten wegen ihrer hohen Sicherheit und Energiedichte als Energiespeichertechnologie der nächsten Generation. Bislang wird ihr praktischer Einsatz jedoch durch einen schlechten Kontakt zwischen festen Elektroden und Elektrolyten eingeschränkt. Dieser Mangel führt zu einem erheblichen Ionentransportwiderstand, einer reduzierten Effizienz und einer verkürzten Lebensdauer. Im Gegensatz dazu benetzt der flüssige Elektrolyt in klassischen Lithium-Ionen-Batterien die Elektroden vollständig, wodurch eine perfekte und flexible Kontaktfläche entsteht.

Leistungssteigerung und Biegefestigkeit

Um den Kontakt in Festkörperbatterien zu optimieren, entwickelte das CAS-Team daher ein polymerbasiertes Material. Dieses Material integriert ionenleitende Ethoxygruppen und elektrochemisch aktive kurze Schwefelketten in einem Polymer-Grundgerüst. Dieses molekulare Design erzielt eine Grenzflächenintegration auf molekularer Ebene, die einen effizienten Ionentransport und ein kontrollierbares Umschalten zwischen Ionentransfer und -speicherung ermöglicht.

Demzufolge zeigen die mit diesem Material hergestellten flexiblen Batterien eine ausgezeichnete Biegefestigkeit. Darüber hinaus konnte man bei der Verwendung des Materials als Polymerelektrolyt in Verbundkathoden die Energiedichte des Systems um bis zu 86 Prozent steigern. Die Entdeckung liefert eine neue Materialdesignstrategie und ein Forschungsparadigma für die Entwicklung leistungsstarker, hochgradig sicherer Festkörperbatterien. Somit gilt die Technologie als Teil eines breiteren Vorstoßes in China. Farasis Energy begann bereits die Pilotproduktion und strebt 400–500 Wh/kg bis zum Jahresende an. Auch das von Chery unterstützte Unternehmen Anhui Anwa hat schon Engineering-Muster herausgebracht.

Implikationen für E-Mobilität und zukünftige Forschung

Die Festkörpertechnologie verspricht, E-Autos sicherer und leistungsstärker zu machen. Festkörperbatterien gelten als wichtiger nächster Schritt für die Batterieforschung, da sie sicherer als Lithium-Ionen-Batterien mit flüssigen oder halbfesten Elektrolyten sind und höhere Energiedichten haben. Aufgrund einer höheren Energiedichte könnten die Antriebsbatterien in E-Autos in Zukunft kleiner dimensioniert werden. Dadurch wären sie günstiger, aber gewährleisten dennoch zufriedenstellende Reichweiten. Sie könnten auf gleichem Raum mehr Energie speichern und demnach die gängigen Reichweiten von Elektroautos deutlich erhöhen.

Bis die Innovation in die Massenproduktion geht, dürfte noch ein wenig Zeit vergehen – sofern sie sich überhaupt wirtschaftlich skalierbar ist. Trotz der Tatsache, dass die CAS-Batterie noch im Bereich der Grundlagenforschung verbleibt und die wirtschaftliche Skalierbarkeit noch abzuwarten ist, gibt es bereits Fortschritte in der Anwendung. Mercedes-Benz etwa berichtete kürzlich von einem modifizierten EQS, der mit einer Lithium-Metall-Festkörperbatterie über 1200 Kilometer ohne Ladestopp zurücklegte. Folglich ist die Festkörpertechnologie längst kein reiner Labor- und Forschungsgegenstand mehr.

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